对具有微膨胀特性的低热硅酸盐水泥的研究

钟 贻 辉

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

对具有微膨胀特性的低热硅酸盐水泥的研究

钟 贻 辉

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

水泥水化后的体积变化直接关系到大坝混凝土的抗裂能力，水化后具有微膨胀特性的水泥对大坝混凝土的抗裂有利，但在很多水电工程中，欲求具有微膨胀的中热或低热硅酸盐水泥却不是易事，目前溪洛渡、锦屏Ⅰ级大坝混凝土虽然进行了多方面的研究，却仍未将水泥的自生体积变形改善至微膨胀。本文在微收缩低热硅酸盐水泥的基础上，调整生产工艺与生料配方并提高氧化镁含量的方法，实现了低热硅酸盐水泥在两种不同骨料大坝混凝土中的微膨胀特性。

微膨胀；低热硅酸盐水泥；轻烧氧化镁；自生体积变形

0 前 言

随着溪洛渡、锦屏Ⅰ级、小湾、拉西瓦等一批300 m级高拱坝的建设，对结构的安全运行提出了更高的要求，这促使结构设计对组成结构的主要材料混凝土，提出了更好的性能要求，不但要求其保证需要的强度，而且还要求其具有很好的抗裂能力。水电工程为提高水工大体积混凝土与冲磨混凝土的抗裂性能，需要选择水化热低、水化后呈微膨胀的水泥作为胶凝材料，随着我国水泥生产技术的提高，低热硅酸盐水泥的产业化生产已经成熟，水电工程也能以合理的价格购买到低热硅酸盐水泥，但根据目前水电工程使用低热硅酸盐水泥的情况和已被授权可生产低热硅酸盐水泥的生产企业的水泥质量现状看，欲获得具有微膨胀特性的低热硅酸盐水泥却很难。也正因为此，国内多家高校、科研单位、使用单位、生产企业都在积极开展具有微膨胀特性的低热硅酸盐水泥研究。

导致混凝土产生体积变形的原因较多，骨料品种、水泥品种、掺和料的品种及用量、外加剂的类型与掺量、单方用水量、砂率、粗骨料级配等因素均为引起混凝土产生不同程度的变形，但水泥品种与产地及骨料品种对混凝土自生体积变形的影响最大，主要原因在于水泥水化产生的体积变化是混凝土产生体积变形的最主要的主动因素，而骨料却是约束水泥水化变形的主要被动因素，因此水泥品种与骨料品种是影响混凝土最终变形的两大因素。

在特定骨料品种的条件下，水泥品种是影响混凝土自生体积变形的主要因素，欲使其呈现微膨胀，目前的研究成果表明［1－3］，采用外掺轻烧氧化镁能产生良好的效果。本文在一种自生体积变形小于0的低热硅酸盐水泥基础上，通过调整生产工艺、掺轻烧氧化镁、调整熟料配方的方法，促使其从自生体积变形小于0改善至大于0，并在两种岩性骨料的大坝混凝土验证其自生体积变形仍然大于0。

1 试验用原材料品质及配合比

1.1 水 泥

试验用42.5级低热硅酸盐水泥及其熟料成分的分析结果见表1。

表1 水泥样品的化学成份分析及熟料矿物成份试验结果

从表1中可以看出，2号样品相对于1号样品主要是水泥中的氧化镁含量发生了变化，3号样品较1号、2号样品的熟料成分发生了较大的变化，且其氧化镁含量与2号样品接近，同时三氧化硫发生了较大变化。对3种样品的物理性能检测结果表明，3个样品的凝结时间、安定性、抗压强度、抗折强度均满足《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB200－2003）的要求。

1.2 轻烧氧化镁

试验用轻烧氧化镁的试验结果见表2、3。

表2 化学成份分析结果

表3 物理性能试验结果

1.3 其他原材料

本次试验采用I级粉煤灰，品质满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL／T5055－2007）的要求；花岗岩与灰岩人工骨料，品质满足《水工混凝土施工规范》（DL／T5144－2001）的要求；高效减水剂品质满足《混凝土外加剂》（GB8076－2008）中高性能减水剂的要求；引气剂品质亦满足《混凝土外加剂》（GB8076－2008）的要求。

1.4 配合比

试验用配合比见表4。

从表4可以看出，采用两种岩性骨料的混凝土其水泥用量、粉煤灰用量接近，但在湿筛混凝土中花岗岩混凝土的浆骨比较灰岩混凝土的浆骨比大约20%。

2 试验结果

2.1 自生体积变形性能

对3个水泥样品的2种骨料大坝湿筛混凝土的自生体积变形试验结果见图1。

表4 试验用大坝混凝土配合比

图1 自生体积变形试验结果

从图1中可以看出：

（1）1号水泥样品的2种骨料混凝土自生体积变形均小于0，且灰岩大坝混凝土的自生体积变形最大值为－21.9×10－6，花岗岩为－48.8×10－6，说明未进行工艺与配方处理的低热硅酸盐水泥难以使花岗岩与灰岩骨料的大坝混凝土呈现微膨胀；

（2）2号水泥样品在未处理样品基础上只掺入3.0%轻烧氧化镁，使水泥的总氧化镁含量接近5%，其相对于1号水泥样品能够提高大坝混凝土自生体积变形值，但花岗岩骨料的大坝混凝土的自生体积变形仍然小于0，灰岩骨料的大坝混凝土的自生体积变形在0附近波动，所以掺3.0%轻烧氧化镁（总氧化镁含量接近5%）后，对大坝混凝土的自变性能改善效果有限；

（3）3号水泥样品的混凝土自生体积变形较1号、2号水泥样品的混凝土自生体积变形有明显的改善，并使2种骨料的大坝混凝土在1～270 d自生体积变形均大于0，且灰岩大坝混凝土的自生体积变形最大值为36.6×10－6，花岗岩为30.1×10－6，所以调整工艺、配方对低热硅酸盐水泥的自生体积变形性能影响较大，能有效提高大坝混凝土的自生体积变形。

（4）当采用同种水泥样品、胶材用量接近时，灰岩骨料混凝土的自生体积变形与花岗岩骨料混凝土的自生体积变形相差较大，当采用1号、2号水泥样品时，后龄期花岗岩骨料大坝混凝土的收缩值约为灰岩骨料的2倍，表明骨料对混凝土的自生体积变形绝对值的影响很大。

2.2 力学性能

对1号、3号两个水泥样品的2种骨料大坝湿筛混凝土的力学性能试验结果见表5。

1号水泥样品为工程中常用的成熟的水泥样品，3号样品为研究过程中进行工艺、配方调整后的样品。从表4中可以看出，3号样品相对于1号样品在花岗岩与灰岩骨料的大坝湿筛混凝土中的7～180 d抗压强度、28～180 d劈拉强度均较为接近，表明调整了工艺参数与配方的水泥样品不会对大坝混凝土的力学性能产生负面影响。

表5 力学性能试验结果

3 机理分析

3.1 水泥中氧化镁的膨胀机理分析［4－8］

氧化镁又称方镁石，化学表达式为MgO，在常温下可与水反应生成水镁石（Mg（OH）2），反应过程中伴随着体积膨胀，是水泥中常见的一种膨胀源，其含量对水泥的膨胀性能影响较大，如果含量过大将导致水泥的安定性不良，所以各种水泥标准中都对水泥中氧化镁含量有严格限制，但若对水泥中氧化镁含量准确控制，可使水泥满足安定性要求，且能促使混凝土产生期望的微膨胀。

氧化镁的水化反应速率与其晶体结构、烧成温度关系密切。若烧成温度高，则生成的方镁石晶体结构致密，活性较低，水化反应速率较慢，释放膨胀量的速率也慢；若烧成温度较低，则生成的方镁石晶体结构疏松，活性较高，水化反应速率较快，释放膨胀量的速率快。所以工程可以根据大坝混凝土需要的膨胀量与膨胀时间来确定选择氧化镁的烧成温度与掺量。

在1号水泥样品熟料中存在氧化镁，为过烧的氧化镁（烧成温度约为1 380℃左右）；2号水泥样品中存在两种氧化镁，过烧氧化镁与轻烧氧化镁，轻烧氧化镁是专门采用菱镁矿或白云石等富含氧化镁的矿物烧制而成，这可控制氧化镁烧成温度，用于混凝土的轻烧氧化镁烧成温度一般在900℃左右；3号水泥样本中含有的氧化镁与2号水泥样品中的一致。这两种氧化镁的水化反应程度见表6。

表6 两种氧化镁的水化反应速率

表6中可以看出，轻烧氧化镁28 d左右的水化程度相当于过烧氧化镁180 d的水化程度，可见轻烧氧化镁的膨胀量更能在早期释放，与大坝混凝土要求的膨胀龄期（一般在150 d以前）比较吻合。

过烧氧化镁与轻烧氧化镁在水泥中存在的区域不同，对膨胀性能的影响较大：过烧氧化镁是在水泥烧制过程中被固溶到水泥熟料矿物中的，其被水泥熟料包裹，即使水泥被磨制很细，也很少直接裸露在水泥熟料表面（见图2），所以过烧的氧化镁必须在其外部包裹的水泥熟料水化后，方能与水接触发生水化反应；而轻烧氧化镁是纯度大于90%以上的晶体颗粒，相对于水泥熟料其是被外掺在水泥中的，在水泥中是填充在水泥颗粒的缝隙之间，未被熟料包裹，在混凝土拌和时可以直接与水接触，所以轻烧氧化镁几乎是同时与熟料发生水化，只要水化就可为混凝土提供膨胀能。水泥中氧化镁的水化、膨胀机理如图3所示。

图2 水泥熟料中的方镁石

图3 氧化镁水化膨胀机理示意

从图3中可以看出，一旦氧化镁颗粒与水中OH－接触，表面上的氧化镁与其发生反应生成Mg（OH）2与水化镁离子，随着水化反应的逐渐深入，生成的Mg（OH）2越来越多，释放的膨胀能也越来越大，宏观上则可表现为混凝土的体积微膨胀。

1号水泥中含有1.74%的过烧氧化镁，其被包裹在熟料中，很难为混凝土的膨胀提供足够的膨胀能，而由于低热硅酸盐水泥熟料水化总体表现为微收缩，所以1号水泥的混凝土宏观上表现为收缩。2号水泥含有3.0%的轻烧氧化镁，由于其水化较快能为混凝土提供部分膨胀能，所以2号水泥的大坝混凝土相对于1号水泥的大坝混凝土表现出收缩更小。3号水泥调整了配方与工艺，同时保证了轻烧氧化镁的含量，提高了三氧化硫的含量，使膨胀能更好的得以发挥，所以3号水泥的混凝土宏观上表现为微膨胀。

3.2 掺入氧化镁不会影响力学性能［9］

2号、3号水泥样品中的氧化镁含量较1号水泥样品提高了约3.0%，虽然氧化镁水化后生成的水镁石，强度没有水泥中主要熟料如C2S、C3S提供给混凝土的强度高，但水镁石为纤维状晶体类似钙矾石，不会对水泥的强度产生负面影响，同时由于其掺量小，非主体矿物，不会对混凝土的强度产生影响。

4 结 语

本文在自生体积变形小于0的低热硅酸盐水泥的基础上，通过调整其生产工艺、生料配方，提高三氧化硫含量、掺入轻烧氧化镁的技术手段，将该低热硅酸盐水泥在花岗岩与灰岩骨料大坝混凝土中的自生体积变形调整为大于0，使大坝混凝土体积变形呈现微膨胀，且调整后的低热硅酸盐水泥仍然满足国家标准，对大坝混凝土的抗压、抗拉强度不产生负面影响，所以该技术手段科学可信，对工程非常适用。

［1］张国新，陈显明，杜丽惠.掺氧化镁混凝土的膨胀效果分析［J］.水利学报，2005.

［2］冉璟，钟贻辉，李晓勇.MgO水泥的膨胀性能研究［J］.水电站设计，2008.

［3］曹泽生，徐锦华.氧化镁混凝土筑坝技术［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［4］朱伯芳.微膨胀混凝土自生体积变形的计算模型和试验方法［J］.水利学报，2002.

［5］朱伯芳.论微膨胀混凝土筑坝技术［J］.水利发电学报，2000（3）.

［6］李承木.外掺MgO混凝土的基本力学与长期耐久性能［J］.水利水电科技进展，2000，20（5）.

［7］陈文耀，李文伟.内含氧化镁水泥混凝土自生体积变形问题探讨［J］.长江科学院院报，2008，25（4）.

［8］李鹏辉，许维，刘光廷.外掺氧化镁混凝土水化宏细观试验研究［J］.水力发电学报，2004，23（5）.

［9］李承木.外掺氧化镁混凝土基本力学与长期耐久性能［J］.水电工程研究，1999（1）.

TV431

B

1003－9805（2015）01－0088－05

2014－06－23

钟贻辉（1982－），男，四川宜宾人，工程师，从事水工混凝土研究。